高速遠(yuǎn)程滑坡超前沖擊氣浪動力學(xué)及防控機(jī)理研究.pdf

1、本論文以2008年5月12日汶川大地震觸發(fā)的牛圈溝、王家?guī)r和謝家店子等三個高速遠(yuǎn)程滑坡為研究對象，通過精數(shù)值模擬方法，研究了高速遠(yuǎn)程滑坡所產(chǎn)生的超前沖擊氣浪的動力學(xué)機(jī)理。
　　通過野外現(xiàn)場的詳細(xì)調(diào)查，闡明和分析了高速遠(yuǎn)程滑坡運動全過程的幾何學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)特征，并重點對高速遠(yuǎn)程滑坡運動過程中所產(chǎn)生的超前沖擊氣浪的動力學(xué)現(xiàn)象和特征進(jìn)行了描述和分析。
　　通過FLUENT流體力學(xué)軟件中的用戶自定義端口，導(dǎo)入了基于C語言編寫的適

2、合高速遠(yuǎn)程滑坡運動的摩擦準(zhǔn)則;采用FLUENT流體力學(xué)軟件中氣-液兩相流模型以及前處理軟件，分別建立了基于真實地形地貌(DEM)特征的牛圈溝滑坡二維與三維數(shù)值模型，王家?guī)r滑坡及其與前方剛性建筑物相互作用的三維數(shù)值模型，以及謝家店子滑坡及其與運動路徑上樁林防護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用的三維數(shù)值模型;根據(jù)野外調(diào)查和室內(nèi)土力學(xué)試驗所得到的滑坡碎屑流物質(zhì)的物理力學(xué)參數(shù)，反演了三個滑坡碎屑流運動全過程的情景，對三個高速遠(yuǎn)程滑坡及其所產(chǎn)生的超前氣浪的幾何學(xué)、運

3、動學(xué)、動力學(xué)的特征和行為，進(jìn)行了詳細(xì)的分析和深入研究。
　　主要得到以下結(jié)論:
　　(1)牛圈溝高速遠(yuǎn)程滑坡的運動從啟動到停止歷時119s，每一時刻其運動最大速度的空間位置出現(xiàn)在滑體內(nèi)部靠近前緣的地方（50s時處于碎屑流前緣），其最大速度有三個峰值，分別是14s時的52m/s、27s時的55m/s和50s時的49m/s;超前沖擊氣浪速度的最大值出現(xiàn)在50s時，其值為38m/s;壓強(qiáng)的最大值出現(xiàn)在碎屑流前緣由支溝沖進(jìn)牛圈溝主溝

4、瞬間，達(dá)657Pa，相當(dāng)于11級暴風(fēng);滑體與空氣的接觸面積越大，滑體速度越快，對其前方空氣的擠壓作用尤為明顯;滑體運動前方地形的變化也會影響氣浪壓強(qiáng)的分布。在碎屑流的高速運動的過程中，當(dāng)其前方一定范圍內(nèi)出現(xiàn)較為高大的障壁時，碎屑流前方來不及擴(kuò)散的高壓氣流將產(chǎn)生極為明顯的壓強(qiáng)梯度變化，造成極大的破壞作用。當(dāng)碎屑流前方遇陡坎或因彎道超高翻越山脊沖向下游時，其速度瞬間增大的同時，部分碎屑流因為處于失重狀態(tài)會在其內(nèi)部產(chǎn)生較為明顯的負(fù)壓，同時其前

5、緣位置也會因為其前緣以陡立角度的強(qiáng)烈壓縮作用導(dǎo)致其前方壓強(qiáng)值出現(xiàn)局部陡增。
　　(2)王家?guī)r高速滑坡從啟動到停止總共歷時12s，運動過程中，其最大速度在10s時達(dá)到36 m/s;滑坡產(chǎn)生的超前沖擊氣浪速度的最大值也出現(xiàn)在10s，其最大速度為28 m/s;超前氣浪壓強(qiáng)的峰值出現(xiàn)在其速度最大的時刻，即10s時，在其前方10m處產(chǎn)生了高達(dá)600Pa的正壓，相當(dāng)于11級暴風(fēng);王家?guī)r滑坡體產(chǎn)生的超前沖擊氣浪在滑坡運動到8.5s時，已經(jīng)讓其運

6、動路徑前方110m處的砌體結(jié)構(gòu)建筑物迎風(fēng)面下部表面產(chǎn)生了最大391Pa的正壓，相當(dāng)于10級狂風(fēng)。持續(xù)增大的超前沖擊氣浪荷載，讓砌體結(jié)構(gòu)下部產(chǎn)生的局部小裂縫逐漸貫通并向上延伸，導(dǎo)致了砌體結(jié)構(gòu)建筑物在下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了明顯的結(jié)構(gòu)破壞，上部結(jié)構(gòu)的豎向荷載在傳遞至底層時發(fā)生中斷從而造成結(jié)構(gòu)物在上部荷載作用下開始坍塌?？紤]到王家?guī)r滑坡前方受到氣浪破壞的建筑物，在此前的強(qiáng)震過程中已經(jīng)或多或少的產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)性的破壞，因此推測現(xiàn)實中很有可能在8.5s之前，其

7、運動路徑前方的建筑物就已經(jīng)發(fā)生倒塌破壞。
　　(3)謝家店子高速滑坡在天然（沒有樁林防護(hù)）情況下從啟動到停止總共歷時80s;其最大速度出現(xiàn)在40s時的18.3m/s;超前沖擊氣浪速度的最大值出現(xiàn)在40s左右，位于滑體前緣25m范圍之內(nèi)，其最大速度為11.0 m/s;超前氣浪壓強(qiáng)的峰值出現(xiàn)在其速度最大的時刻，即40s時，在其前方0-10m處產(chǎn)生了高達(dá)385 Pa的正壓，相當(dāng)于10級狂風(fēng)，可拔起樹木，損壞建筑物。分析對比謝家店子高速遠(yuǎn)

8、程滑坡在有樁林與無樁林防護(hù)情況下的模擬結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn):①在有樁林防護(hù)情況下，碎屑流體在堆積區(qū)的范圍顯著減小，碎屑流主要堆積在流通區(qū)下部設(shè)置樁林的位置，只有部分碎屑流體在堆積區(qū)停積，與無樁林防護(hù)情況對比，碎屑流堆積區(qū)的面積減小了2/3;②在有樁林防護(hù)情況下，碎屑流體中最大速度的位置由前部向中前部移動，受到樁林淤積處碎屑流的阻擋，越過樁林的碎屑流體速度有明顯的減小，碎屑流的動能也隨之減小;③有樁林防護(hù)的碎屑流，其前緣超前沖擊氣浪的速度相比無